高速電主軸滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵特性參數(shù)識(shí)別.pdf

1、隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，高速電主軸和滑動(dòng)軸承在高檔數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛地應(yīng)用?；瑒?dòng)軸承油膜特性系數(shù)、電主軸系統(tǒng)不平衡量等動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵特性參數(shù)與電主軸系統(tǒng)響應(yīng)之間存在著非常復(fù)雜的關(guān)系，直接影響著機(jī)床的加工精度。然而由于加工條件和測(cè)試環(huán)境等一些復(fù)雜因素的影響，通常很難直接獲取滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)和電主軸系統(tǒng)不平衡量。
　　本文主要圍繞高速電主軸滑動(dòng)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵特性參數(shù)滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)和不平衡量的參數(shù)識(shí)別展開研究。首先建立

2、滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)、不平衡量和電主軸系統(tǒng)響應(yīng)的高精度、高效率正問題模型，獲得滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)、不平衡量與電主軸系統(tǒng)不平衡響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)等動(dòng)力特性的映射關(guān)系;然后針對(duì)反問題的不適定性和滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)的不確定性，在滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)和不平衡量的參數(shù)識(shí)別方面進(jìn)行系統(tǒng)地研究。本文在大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，開展并完成的主要工作如下:
　　1)針對(duì)建立電主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子的自重和電磁轉(zhuǎn)矩的問題，提出改進(jìn)Riccat

3、i傳遞矩陣法，建立滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)和轉(zhuǎn)子不平衡量參數(shù)識(shí)別中的流固耦合動(dòng)力學(xué)模型。引入電機(jī)的自重和電磁轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大狀態(tài)向量維數(shù)為10維，獲得計(jì)算電主軸系統(tǒng)的復(fù)頻率和不平衡響應(yīng)的位移傳遞矩陣模型。為克服位移傳遞矩陣法數(shù)值的不穩(wěn)定，結(jié)合Newmark加速度法改進(jìn)位移傳遞矩陣，獲得用于電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)分析的加速度傳遞矩陣模型。
　　2)針對(duì)傳統(tǒng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性分析方法的耗時(shí)性、不穩(wěn)定性，提出了高效高精度的電主軸系統(tǒng)不平衡響應(yīng)和瞬態(tài)

4、響應(yīng)分析方法。首先用有限變分法研究彈性轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承層流和紊流下滑動(dòng)軸承油膜特性，將滑動(dòng)軸承油膜力與油膜特性系數(shù)聯(lián)合起來一并求解，避免了有限差分法時(shí)多次迭代的時(shí)效問題，大大提高了計(jì)算效率。再針對(duì)實(shí)際工程中只關(guān)注系統(tǒng)共振區(qū)域中臨界轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象，采用幅角原理判定這一共振區(qū)域中特征多項(xiàng)式根的個(gè)數(shù)，采用雙種群進(jìn)化策略對(duì)電主軸系統(tǒng)特征多項(xiàng)式的根進(jìn)行求解，避免了傳統(tǒng)的拋物線法對(duì)初值選取的敏感，可以快速地求得電主軸系統(tǒng)的復(fù)頻率，且可避免漏根現(xiàn)象。然后通過

5、改進(jìn)的電主軸系統(tǒng)不平衡響應(yīng)Riccati法獲得各截面的不平衡響應(yīng)。同時(shí)，針對(duì)電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)分析中滑動(dòng)軸承點(diǎn)傳遞矩陣建立困難的問題，提出了一種Riccati-Newmark加速度傳遞矩陣法。借Newmark加速度法建立傳遞矩陣，采用Taylor級(jí)數(shù)預(yù)估滑動(dòng)軸承軸心下一時(shí)刻的位移和速度，結(jié)合滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)動(dòng)態(tài)分析方法建立滑動(dòng)軸承點(diǎn)傳遞矩陣。依據(jù)邊界條件用改進(jìn)的電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)Riccati法求解電主軸滑動(dòng)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)

6、。
　　3)針對(duì)高速重載下滑動(dòng)軸承油腔復(fù)雜，滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)不便于直接獲取的難題，提出了一種高效的滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)的參數(shù)識(shí)別方法。該方法將參數(shù)識(shí)別問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，通過最小化電主軸系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的偏差來識(shí)別滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)，并采用隔代映射遺傳算法來尋優(yōu)。通過數(shù)值算例對(duì)這一方法的效率和精度進(jìn)行了驗(yàn)證。最后將其應(yīng)用于一轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，識(shí)別出轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)中兩滑動(dòng)軸承的16個(gè)油膜特性系數(shù)。
　　4)針對(duì)傳統(tǒng)

7、的現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別不平衡量需要多次轉(zhuǎn)子啟停，成本大以及不平衡量和滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)之間交互影響的問題，提出了電主軸系統(tǒng)不平衡量的識(shí)別方法。此方法將不平衡量的識(shí)別轉(zhuǎn)化為不平衡力的識(shí)別，將不平衡力在時(shí)域內(nèi)用一系列的脈沖函數(shù)來表示，利用電主軸系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析方法來構(gòu)建正問題。結(jié)合正則化方法處理不平衡力識(shí)別中的病態(tài)問題，穩(wěn)定地識(shí)別電主軸系統(tǒng)不平衡量。然后考慮滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)為不確定變量，發(fā)展了基于區(qū)間分析理論的不平衡量識(shí)別方法。基于區(qū)間數(shù)學(xué)理論